(57)【要約】【課題】電流分布を放射状に分散させて従来よりも漏洩磁束、誘導ノイズ、および電波ノイズを抑制したインバータ装置を提供する。【解決手段】同心内外に配置された中心電極である正電極３Ｐならびに環状の外周電極である負電極３Ｎと、パワー半導体モジュールをそれぞれ含み正電極３Ｐと負電極３Ｎとの間に直列接続されかつ正電極３Ｐと負電極３Ｎとの間に環状に配置された三相の上アームおよび下アームとを備え、直流電力を三相電力に変換して三相の上アームと下アームとの間の各レッグから出力するインバータ装置１であって、並列接続された複数の上アーム（２Ｕ１Ｈ、２Ｕ２Ｈ、２Ｖ１Ｈ、２Ｖ２Ｈ、２Ｗ１Ｈ、２Ｗ２Ｈ）および並列接続された複数の下アーム（２Ｕ１Ｌ、２Ｕ２Ｌ、２Ｖ１Ｌ、２Ｖ２Ｌ、２Ｗ１Ｌ、２Ｗ２Ｈ）で各相を構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心内外に配置された中心電極および環状の外周電極の一方であって直流電源の正極端子に接続された正電極、ならびに前記中心電極および前記外周電極の他方であって前記直流電源の負極端子に接続された負電極と、
通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含み前記正電極と前記負電極との間に直列接続され、かつ前記正電極と前記負電極との間に環状に配置された三相の上アームおよび下アームとを備え、
前記直流電源から入力された直流電力を三相電力に変換して、前記三相の上アームと下アームとの間の各レッグから出力するインバータ装置であって、
並列接続された複数の上アームおよび並列接続された複数の下アームで各相を構成したインバータ装置。
【請求項２】
請求項１において、各相で並列接続された前記複数の上アームおよび前記複数の下アームをそれぞれ、概ね回転対称に配置したインバータ装置。
【請求項３】
請求項１または２において、各相の前記上アームおよび前記下アームの並列数は、２並列、３並列、または６並列のいずれかであるインバータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記パワー半導体モジュールは、正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成されているインバータ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記並列接続された複数の上アームおよび前記複数の下アームはそれぞれ、交流電力を整流する半導体整流素子を前記パワー半導体モジュールに対して並列に有し、前記各レッグに入力された三相電力を直流電力に変換出力可能とするインバータ装置。
【請求項６】
請求項５において、前記パワー半導体モジュールは、正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成され、前記半導体整流素子は前記パワー半導体チップと同形同大であるインバータ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、前記中心電極は中空部分を有する環状または筒状であるインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ装置に関し、より詳細には、漏洩磁束や誘導ノイズおよび電波ノイズを抑制したインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両が急速に普及しつつあり、各種方式の駆動装置が実用化されている。モータには三相同期モータを用いる場合が多く、力行時には車載のバッテリ電源からの給電により駆動輪を駆動し、制動時には回生発電を行ってバッテリ電源を充電する。このため、モータとバッテリ電源との間にインバータ装置を設けて、双方向の電力変換を行わせるのが一般的になっている。ハイブリッド車両は、複数の走行用駆動源を有するがゆえに構成部品点数が多くなりがちであり、エンジン車両と比較して搭載スペースの制約が厳しい。このため、インバータ装置の小形軽量化が強く要望されている。
【０００３】
本願出願人は、この種の車載用途に適したインバータ装置を特許文献１に開示している。特許文献１のインバータ装置は、正三角形のパワー半導体チップを複数接続してパワー半導体モジュールを構成し、６個のパワー半導体モジュールを正六角形状に配置している。つまり、従来のインバータ装置では三相の上アームおよび下アームが３列に並べられているので不平衡であるのに対し、特許文献１では三相を回転対称に配置して平衡性を高めている。これにより、三相の不平衡に起因するコモンモードノイズの発生を抑制することができる。さらに、インバータ装置がリング形状（環状）となるので、概ね円形断面を有するモータとの一体化に好適となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８８４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１のインバータ装置では、三相の上アームおよび下アームの合計６個のパワー半導体モジュールが回転対称に配置されている。しかしながら、電流の流れる幾何学的な方向、換言すれば電流分布の配置までは回転対称にならない。例えば、モータのＵ相端子電圧が＋Ｅ、Ｖ相端子電圧が−Ｅ、Ｗ相端子電圧がゼロの瞬間を考えると、モータ電流は直流電源の正極端子からインバータ装置のＵ相上アームおよびＵ相レッグ、モータのＵ相端子、Ｖ相端子、インバータ装置のＶ相レッグおよびＶ相下アームを経由して直流電源の負極端子に還流する。この瞬間に、インバータ装置内ではＵ相上アームおよびＶ相下アームの合計２個のパワー半導体モジュールのみにモータ電流が流れる。この非対称配置となるモータ電流により磁束が誘起され、非対称であるがゆえにキャンセルされず（相互に打ち消されず）、外部に磁束が漏洩して誘導ノイズが発生する。
【０００６】
これに類似して、パワー半導体モジュールでモータ電流を遮断した瞬間に高周波のサージ電圧およびサージ電流が発生し、サージ電流はインバータ装置に並列接続されたコンデンサを流れる。このサージ電流も非対称配置となるので、高周波の磁束変化が電波ノイズとなって放射される。誘導ノイズおよび電波ノイズは、近隣に配置された電子制御機器の制御に影響を及ぼしたり、各種センサの精度低下および誤動作を引き起こしたりするおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、電流分布を放射状に分散させて従来よりも漏洩磁束、誘導ノイズ、および電波ノイズを抑制したインバータ装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、特許文献１に開示したインバータ装置の大きさを変更することなく誘導ノイズおよび電波ノイズを抑制する性能向上を狙いとし、各相を複数の上アームおよび下アームで構成して、電流の幾何学的な合成ベクトルを小さくすることで実現している。
【０００９】
上記課題を解決する請求項１に係るインバータ装置の発明は、同心内外に配置された中心電極および環状の外周電極の一方であって直流電源の正極端子に接続された正電極、ならびに前記中心電極および前記外周電極の他方であって前記直流電源の負極端子に接続された負電極と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含み前記正電極と前記負電極との間に直列接続され、かつ前記正電極と前記負電極との間に環状に配置された三相の上アームおよび下アームとを備え、前記直流電源から入力された直流電力を三相電力に変換して、前記三相の上アームと下アームとの間の各レッグから出力するインバータ装置であって、並列接続された複数の上アームおよび並列接続された複数の下アームで各相を構成した。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、各相で並列接続された前記複数の上アームおよび前記複数の下アームをそれぞれ、概ね回転対称に配置した。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または２において、各相の前記上アームおよび前記下アームの並列数は、２並列、３並列、または６並列のいずれかである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記パワー半導体モジュールは、正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成されている。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記並列接続された複数の上アームおよび前記複数の下アームはそれぞれ、交流電力を整流する半導体整流素子を前記パワー半導体モジュールに対して並列に有し、前記各レッグに入力された三相電力を直流電力に変換出力可能とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項５において、前記パワー半導体モジュールは、正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成され、前記半導体整流素子は前記パワー半導体チップと同形同大である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記中心電極は中空部分を有する環状または筒状である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係るインバータ装置の発明では、並列接続された複数の上アームおよび並列接続された複数の下アームで各相が構成されている。したがって、同心内外に配置された正電極と負電極との間に流れる電流の幾何学的な方向は、複数の上アームおよび下アームで放射状に分散する。そして、方向の分散した電流によって誘起される磁束は少なくとも一部がキャンセルされる（相互に打ち消される）ので、漏洩磁束および誘導ノイズが抑制される。同様に、上アームおよび下アームのパワー半導体モジュールで電流を遮断した瞬間に発生するサージ電流も方向が分散するので、サージ電流によって誘起される電波ノイズの一部がキャンセルされて（相互に打ち消されて）、外部への放射が抑制される。これにより、近隣に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が軽減される。
【００１７】
請求項２に係る発明では、各相で並列接続された複数の上アームおよび複数の下アームがそれぞれ、概ね回転対称に配置されている。したがって、方向の分散された電流を幾何学的に加算した合成ベクトルは概ねゼロになり、誘起される磁束の大部分がキャンセルされ、漏洩磁束および誘導ノイズが大幅に抑制される。同様に、サージ電流によって誘起される電波ノイズの大部分がキャンセルされて、外部への放射が大幅に抑制される。
【００１８】
請求項３に係る発明では、各相の上アームおよび下アームの並列数は、２並列、３並列、または６並列のいずれかとされている。したがって、電流は、２経路、３経路、または６経路に分散され、電流値の絶対値が小さくなるとともに、放射状の複数方向に流れる。このため、並列数が多いほど合成ベクトルは確実に小さくなり、誘導ノイズおよび電波ノイズが確実にキャンセルされて抑制される。
【００１９】
請求項４に係る発明では、パワー半導体モジュールは正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成されている。周知のように、平面上の一点に６個の正三角形が重なることなく集まり得るので、正三角形の形状は３相の上アームおよび下アームを回転対称に配置するためにすこぶる好適である。本発明は、最少でも１２個のパワー半導体モジュールを必要とし、正三角形のパワー半導体チップで構成されたモジュールを用いることでスペース効率よく上アームおよび下アームを配置して、インバータ装置を小形化できる。
【００２０】
請求項５に係る発明では、並列接続された複数の上アームおよび下アームにそれぞれ半導体整流素子を設けることで三相全波整流回路を構成し、双方向への電力変換が行えるようになる。
【００２１】
請求項６に係る発明では、パワー半導体モジュールは正三角形のパワー半導体チップを１個または複数個用いて構成され、半導体整流素子はパワー半導体チップと同形同大とされている。したがって、請求項４と同様の理由により、スペース効率よく上アームおよび下アームを配置して、インバータ装置を小形化できる。
【００２２】
請求項７に係る発明では、中心電極は中空部分を有する環状または筒状とされている。したがって、中空部分に電気接続用の導体を通したり、動力伝達用の回転軸を配置したりでき、設置位置の自由度が大きくかつ使い勝手がよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態のインバータ装置の回路図である。
【図２】第１実施形態のインバータ装置の構造を示した図であり、（１）は中心軸線を含む側面断面図、（２）は中心軸線方向から見た正面図である。
【図３】インバータ装置に流れる電流を模式的に例示説明する図であり、（１）は第１実施形態における電流の幾何学的分布、（２）はそのときの合成ベクトル図、（３）は従来技術における電流の幾何学的分布、（４）はそのときの合成ベクトル図をそれぞれ示している。
【図４】第２実施形態のインバータ装置の回路図である。
【図５】第２実施形態のインバータ装置の構造の２例（１）および（２）を示す中心軸線方向から見た正面図である。
【図６】第２実施形態のインバータ装置に流れる電流を模式的に例示説明する図であり、（１）は電流の幾何学的分布、（２）はそのときの合成ベクトル図をそれぞれ示している。
【図７】第３実施形態のインバータ装置の回路図である。
【図８】第３実施形態のインバータ装置の構造を示す中心軸線方向から見た正面図であり、（１）は全体構成図、（２）は中心角６０°分の部分拡大図である。
【図９】第３実施形態のインバータ装置に流れる電流を模式的に例示説明する電流の幾何学的分布の図である。
【図１０】従来技術のインバータ装置の回路図である。
【図１１】従来技術のインバータ装置の構造を示す中心軸線方向から見た正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の第１実施形態のインバータ装置１について、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、第１実施形態のインバータ装置１の回路図である。図示されるように、インバータ装置１は、直流電源ＤＣに対して、中空筒型コンデンサ８と並列に接続されて用いられる。インバータ装置１は、通電位相を制御して電力変換を行う三相のそれぞれが、並列接続された２個の上アームおよび並列接続された２個の下アームで構成されている（２並列構成）。したがって、装置１全体では合計１２アームが搭載されている。三相の代表としてＵ相を例にして、以下に詳述する。
【００２５】
Ｕ相第１上アーム２Ｕ１Ｈは、パワー半導体モジュールに相当するＩＧＢＴ素子２１Ｈ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子）、および半導体整流素子に相当する整流ダイオード２２Ｈの並列接続により構成されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｈのコレクタ電極ＣＨは、正電極３Ｐに接続される。エミッタ電極ＥＨは、Ｕ相レッグとなるＵ相出力導体４Ｕに接続されている。ゲート電極ＧＨは、図略の制御部に接続されて制御信号が入力される。整流ダイオード２２ＨのアノードＡＨはＵ相出力導体４Ｕに接続されており、カソードＫＨは正電極３Ｐに接続される。
【００２６】
Ｕ相第１下アーム２Ｕ１Ｌも、ＩＧＢＴ素子２１Ｌおよび整流ダイオード２２Ｌの並列接続により構成されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｌのコレクタ電極ＣＬは、Ｕ相出力導体４Ｕ、および上アーム側のＩＧＢＴ素子２２Ｈのエミッタ電極ＥＨに接続されている。エミッタ電極ＥＬは、負電極３Ｎに接続される。ゲート電極ＧＬは、図略の制御部に接続されて制御信号が入力される。整流ダイオード２２ＬのアノードＡＬは負電極３Ｎに接続され、カソードＫＬはＵ相出力導体４Ｕに接続されている。
【００２７】
Ｕ相第１上アーム２Ｕ１ＨおよびＵ相第１下アーム２Ｕ１Ｌは、正電極３Ｐと負電極３Ｎとの間に直列接続されておりＵ相第１アームセットを構成する。Ｕ相第１アームセットに対して、同一の回路構成のＵ相第２上アーム２Ｕ２ＨおよびＵ相第２下アーム２Ｕ２ＬからなるＵ相第２アームセットが並列接続されている。２つのアームセットで、正電極３Ｐ、負電極３Ｎ、およびＵ相出力導体４Ｕは共通とされている。
【００２８】
Ｖ相およびＷ相についても、Ｕ相と同一の回路構成が用いられている。すなわち、Ｖ相は、Ｖ相第１上アーム２Ｖ１Ｈ、Ｖ相第１下アーム２Ｖ１Ｌ、Ｖ相第２上アーム２Ｖ２Ｈ、およびＶ相第２下アーム２Ｖ２Ｌにより構成されている。また、Ｗ相は、Ｗ相第１上アーム２Ｗ１Ｈ、Ｗ相第１下アーム２Ｗ１Ｌ、Ｗ相第２上アーム２Ｗ２Ｈ、およびＷ相第２下アーム２Ｗ２Ｌにより構成されている。
【００２９】
次に、インバータ装置１の構造および幾何学的配置について説明する。図２は、第１実施形態のインバータ装置１の構造を示した図であり、（１）は中心軸線ＡＸを含む側面断面図、（２）は中心軸線ＡＸ方向から見た正面図である。図２の（１）に示されるように、インバータ装置１は、中空筒型コンデンサ８の中心軸線ＡＸ方向の側面に一体的に設けられている。また、図２の（２）に示されるように、インバータ装置１は、正電極３Ｐと負電極３Ｎとの間に環状に配置されている。
【００３０】
中空筒型コンデンサ８は、一方極接続部８２、他方極接続部８３、および静電容量部８４で構成され、中心軸線ＡＸの周りに回転対称形状となっている。一方極接続部８２は、円筒状の内周筒部８２１、および内周筒部２１の一方の端部から外向きフランジ状に延在する一側面部８２２を有している。他方極接続部８３は、円筒状の外周筒部８３１、および外周筒部８３１の他方の端部から内向きフランジ状に延在する他側面部８３２を有している。内周筒部８２１、一側面部８２２、外周筒部８３１、および他側面部８３２の間には環状空間が形成されている。静電容量部８４は、環状空間の内部で２枚の電極板８５、８６および薄膜状の誘電体８７が渦巻き状に巻回された巻き構造に形成されている。２枚の電極板の一方８５は一方極接続部８２に接続され、他方８６は他方極接続部８３に接続されている。なお、中空筒型コンデンサ８の内部構造は上記に限定されず、例えば、積層構造としてもよい。
【００３１】
インバータ装置１は、中空筒型コンデンサ８の他方極接続部８３の他側面部８３２に接して一体的に設けられている。図２の（１）に例示されるように、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌは積層構造とされ、図中の上側から順番にエミッタ電極ＥＨ、ＥＬ、コレクタ電極ＣＨ、ＣＬ、絶縁体Ｉ１、出力導体４Ｕ、４Ｖ、絶縁体Ｉ２、他方極接続部８３の他側面部８３２が積層され、ゲート電極ＧＨ、ＧＬは図示省略されている。図中の右側に例示された上アーム側のＩＧＢＴ素子２１Ｈでは、コレクタ電極ＣＨと一方極接続部８２とが接続リード２７１により接続されている。また、図中の左側に例示された下アーム側のＩＧＢＴ素子２１Ｌでは、エミッタ電極ＥＬと他方極接続部８３とが接続リード２７２により接続されている。
【００３２】
図２の（２）に示されるように、インバータ装置１の上アームおよび下アームからなるアームセットは、中心軸線ＡＸの周りの６０°の間に配設されている。そして、各相の２つのアームセットは、中心軸線ＡＸに対して１８０°の回転対称位置に配置されている。合計６組のアームセットは、相互に同一形状であり、中心軸線ＡＸ回りに６０°ピッチで配設されている。再びＵ相を例にして詳述すると、Ｕ相第１上アーム２Ｕ１ＨおよびＵ相第１下アーム２Ｕ１ＬからなるＵ相第１アームセットが図中の角度θＵ１（＝６０°）内に配置され、Ｕ相第２上アーム２Ｕ２ＨおよびＵ相第２下アーム２Ｕ２ＬからなるＵ相第２アームセットが図中の角度θＵ２（＝６０°）内に配置されている。
【００３３】
Ｕ相第１上アーム２Ｕ１ＨのＩＧＢＴ素子２１Ｈは、正三角形のパワー半導体チップが３個用いられて等脚台形に構成されている。また、Ｕ相第１上アーム２Ｕ１Ｈの整流ダイオード２２Ｈは、正三角形のパワー半導体チップの１個分と同形同大であり、ＩＧＢＴ素子２１Ｈの（１／３）の大きさになっている。そして、ＩＧＢＴ素子２１Ｈの等脚台形の短い側の上底に近接して整流ダイオード２２Ｈが配置され、Ｕ相第１上アーム２Ｕ１Ｈの全体形状は正三角形状になっている。ＩＧＢＴ素子２１Ｈのコレクタ電極ＣＨは、接続リード２７１を用いて、中心側の一方極接続部８２に接続されている。
【００３４】
一方、Ｕ相第１下アーム２Ｕ１ＬのＩＧＢＴ素子２１Ｌも正三角形のパワー半導体チップ３個分の等脚台形に構成され、整流ダイオード２２Ｌも正三角形のパワー半導体チップの１個分と同形同大である。そして、ＩＧＢＴ素子２１Ｌの等脚台形の一脚に近接して整流ダイオード２２Ｌが配置され、Ｕ相第１下アーム２Ｕ１Ｌの全体形状は平行四辺形状になっている。ＩＧＢＴ素子２１Ｌのエミッタ電極ＥＬは、接続リード２７２を用いて、外周側の他方極接続部８３に接続されている。
【００３５】
また、Ｕ相第１アームセットの回転対称位置となる図中の角度θＵ２（＝６０°）の範囲に、Ｕ相第２上アームセットが配設されている。さらに、Ｕ相第１アームセットから時計回りに６０°回転した角度θＶ１（＝６０°）の範囲に、Ｖ相第１アームセットが配設され、Ｕ相第１アームセットから時計回りに１２０°回転した角度θＷ１（＝６０°）の範囲に、Ｗ相第１アームセットが配設されている。第２アームセット側も同様であり、Ｕ相第２アームセット、Ｖ相第２アームセット（角度θＶ２（＝６０°）の範囲）、およびＷ相第２アームセット（角度θＷ２（＝６０°）の範囲）が、時計回りに６０°ピッチで配設されている。
【００３６】
そして、中空筒型コンデンサ８の一方極接続部８２に直流電源ＤＣの正極端子が接続され、他方極接続部８３に直流電源ＤＣの負極端子が接続される。したがって、一方極接続部８２はインバータ装置１の中心電極である正電極３Ｐを兼ね、他方極接続部８３は外周電極である負電極３Ｎを兼ねる。さらに、安全性を考慮して、外周側の他方極接続部８３（＝負電極３Ｎ）が接地して用いられる。また、図には見えていない三相の出力導体４Ｕ、４Ｖ、４Ｗの一端が各アームセットのレッグに接続され、他端が三相負荷に接続される。例えば、ハイブリッド車両に搭載されたインバータ装置１では、直流電源ＤＣとして車載のバッテリあるいはバッテリ電圧を昇圧する昇圧コンバータが接続され、三相負荷として走行用モータが接続される。これにより、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌのゲート電極Ｇに制御信号を入力して、走行用モータの駆動を制御できる。
【００３７】
また、ハイブリッド車両の制動時に走行用モータを回生用の発電機として使用する場合にも、インバータ装置１を利用できる。この場合には、全てのＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌを断状態とし、合計１２個の整流ダイオード２２Ｈ、２２Ｌで三相全波整流回路を構成する。これにより、各レッグに入力された三相電力を直流電力に変換出力してバッテリを充電できる。
【００３８】
次に、第１実施形態のインバータ装置１の作用および効果について、特許文献１に例示した従来技術と比較して説明する。図１０は、従来技術のインバータ装置９の回路図であり、図１１は従来技術のインバータ装置９の構造を示す中心軸線ＡＸ方向から見た正面図である。
【００３９】
従来技術のインバータ装置９は、三相がそれぞれ１個の上アームおよび下アームからなる一般的な回路構成を有している。各相の上アームおよび下アームを構成する６個のＩＧＢＴ素子９１Ｈ、９１Ｌのそれぞれは、６個の正三角形のパワー半導体チップか連結された正六角形状とされている。また、各相の上アームおよび下アームは中心軸線ＡＸの回りに隣接し、かつ相順にしたがって順番に配設されている。具体的には、６０°ピッチで図中の時計回りに、Ｕ相上アーム、Ｖ相下アームおよびＶ相上アーム、Ｗ相下アームおよびＷ相上アーム、Ｕ相下アームの各ＩＧＢＴ素子９１Ｈ、９１Ｌが順番に配設されている。これらは、中心電極である正電極３Ｐおよび外周電極である負電極３Ｎに接続されている。
【００４０】
ここで、第１実施形態のインバータ装置１、および従来技術のインバータ装置９に流れる電流の幾何学的な合成ベクトルについて、模式的に例示説明する。いま、三相負荷のＵ相端子に正電圧＋Ｅ、Ｖ相端子に異符号等量の負電圧−Ｅが発生し、Ｗ相端子の電圧がゼロで、電流Ｉが流れている瞬間を想定して図３に示す。図３は、インバータ装置に流れる電流Ｉを模式的に例示説明する図であり、（１）は第１実施形態における電流の幾何学的分布、（２）はそのときの合成ベクトル図、（３）は従来技術における電流の幾何学的分布、（４）はそのときの合成ベクトル図をそれぞれ示している。なお、ここで用いる合成ベクトルは、一般的な位相関係を考慮した電流ベクトルではなく、電流の流れる幾何学的な経路に基づいたものである。合成ベクトル図により、漏洩磁束量を推定することができる。
【００４１】
図３の（１）に示されるように、第１実施形態において、電流Ｉは、正電極３ＰからＵ相第１上アーム２Ｕ１ＨのＵ相第１電流ＩＵ１、およびＵ相第２上アーム２Ｕ２ＨのＵ相第２電流ＩＵ２に分流した後、三相負荷のＵ相端子に流入する。したがって、Ｕ相第１電流ＩＵ１およびＵ相第２電流ＩＵ２は、幾何学的な相反方向に流れる。同様に、電流Ｉは、三相負荷のＶ相端子からＶ相第１下アーム２Ｖ１ＬのＶ相第１電流ＩＶ１、およびＶ相第２下アーム２Ｖ２ＬのＶ相第２電流ＩＶ２に分流した後、負電極３Ｎに還流する。したがって、Ｖ相第１電流ＩＶ１およびＶ相第２電流ＩＶ２も、幾何学的な相反方向に流れる。このため、第１実施形態のインバータ装置１内の電流Ｉの合成ベクトルは、図３の（２）に示されるように、キャンセルされてゼロに近づく。さらに、インバータ装置１内部および外部の対称性がよく保たれていれば、電流Ｉは２等分されて流れ、合成ベクトルはゼロになる。
【００４２】
上述した電流キャンセルの作用は、各相での分流に起因して発生するので、図３に例示された以外の任意の三相電流に対しても常時発生する。極端な場合を言えば、地絡故障により三相電流の位相を考慮したベクトル和がゼロにならない時にも、電流キャンセルの作用は発生する。
【００４３】
これに対し、従来技術において、電流Ｉは、正電極３ＰからＵ相上アームを経由し、分流することなく三相負荷のＵ相端子に流入する。また、電流Ｉは、三相負荷のＶ相端子からＶ相下アームを経由し、分流することなく負電極３Ｎに還流する。したがって、Ｕ相上アームの電流ＩＵおよびＶ相下アームの電流ＩＶはそれぞれ、三相負荷に流れる電流Ｉに一致する。このため、従来技術のインバータ装置９内で電流Ｉの合成ベクトルを求めると、図３の（４）に示されるように、キャンセルされずにベクトル和Ｉｓｕｍが残る。
【００４４】
つまり、従来技術では、ベクトル和Ｉｓｕｍに起因する漏洩磁束が発生するのに対して、第１実施形態では合成ベクトルが小さく、漏洩磁束が大幅に抑制される。したがって、漏洩磁束によって引き起こされる誘導ノイズが大幅に抑制され、サージ電流によって誘起される電波ノイズの放射が大幅に抑制される。これにより、近隣に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が軽減される。
【００４５】
また、第１実施形態のインバータ装置１は、整流ダイオード２２Ｈ、２２Ｌを備えて三相全波整流回路を構成できるので、双方向への電力変換が行える。例えば、車載のインバータ装置１では、回生発電によりバッテリを充電できる。このとき、電流の流れる方向は図３の（１）および（２）とは逆方向になるが、電流がキャンセルされて合成ベクトルが小さくなる作用は同様に発生するので、回生発電時の誘導ノイズおよび電波ノイズも抑制される。
【００４６】
さらに、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌが正三角形のパワー半導体チップ３個で構成され、整流ダイオード２２Ｈ、２２Ｌ素子はパワー半導体チップと同形同大とされている。したがって、スペース効率よく上アームおよび下アームを配置して、インバータ装置１を小形化できる。加えて、正電極３Ｐは筒状であり、中空部分に電気接続用の導体を通したり、動力伝達用の回転軸を配置したりできるので、設置位置の自由度が大きくかつ使い勝手がよい。また、外周に配置される負電極３Ｎが接地されるので、対地電圧の発生する中心側の正電極３Ｐをシールドでき、安全性が高い。
【００４７】
次に、第２実施形態のインバータ装置１Ａについて、図４〜図６を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図４は、第２実施形態のインバータ装置１Ａの回路図である。図示されるように、第２実施形態のインバータ装置１Ａは、三相のそれぞれが、並列接続された３個の上アームおよび並列接続された３個の下アームで構成されており、装置１Ａ全体では合計１８アームが搭載されている（３並列構成）。三相の代表としてＵ相を例にして、以下に詳述する。
【００４８】
Ｕ相第１〜第３上アーム５Ｕ１Ｈ、５Ｕ２Ｈ、５Ｕ３Ｈは、ＩＧＢＴ素子５１Ｈおよび整流ダイオード５２Ｈの並列接続により構成されている。同様に、Ｕ相第１〜第３下アーム５Ｕ１Ｌ、５Ｕ２Ｌ、５Ｕ３ＬもＩＧＢＴ素子５１Ｌおよび整流ダイオード５２Ｌの並列接続により構成されている。３組のアームセットの中間のレッグに接続されるＵ相出力導体４Ｕ１〜４Ｕ３は、各アームセットに設けられている。Ｖ相およびＷ相の回路構成もＵ相と同一であり、冗長な説明は省略する。
【００４９】
次に、第２実施形態のインバータ装置１Ａの構造および幾何学的配置について説明する。図５は、第２実施形態のインバータ装置１Ａの構造の２例（１）および（２）を示す中心軸線ＡＸ方向から見た正面図である。（１）の例では、中心軸線ＡＸ上に環状の正電極３Ｐが配置されている。（２）の例では、中心軸線ＡＸの延長線上（紙面裏側）に正電極が配置されることで、一層の小形軽量化が達成されている。
【００５０】
図５の（１）および（２）で、ＩＧＢＴ素子５１Ｈ、５１Ｌは、正三角形のパワー半導体チップが２個用いられて菱形に構成されている。また、整流ダイオード５２Ｈ、５２Ｌは、正三角形のパワー半導体チップの１個分と同形同大であり、ＩＧＢＴ素子５１Ｈ、５１Ｌの半分の大きさになっている。そして、各アームを構成するＩＧＢＴ素子５１Ｈ、５１Ｌおよび整流ダイオード５２Ｈ、５２Ｌは隣り合うように配設されている。また、各アームセットの出力導体も、近傍に配設されている。図５の（１）および（２）には、合計１８個の菱形のＩＧＢＴ素子５１Ｈ、５１Ｌ、合計１８個の正三角形の整流ダイオード５２Ｈ、５２Ｌ、および合計９個の正方形の出力導体が示されている。
【００５１】
図５の（１）には、Ｕ相の３個のアームセット、すなわち３個の上アーム５Ｕ１Ｈ、５Ｕ２Ｈ、５Ｕ３Ｈ、３個の下アーム５Ｕ１Ｌ、５Ｕ２Ｌ、５Ｕ３Ｌ、および３個の出力導体４Ｕ１〜４Ｕ３に符号が付されている。図示されるように、３組のアームセットは１２０°ピッチで回転対称に配置されている。また、Ｖ相第１上アーム５Ｖ１Ｈ、Ｖ相第１下アーム５Ｖ１Ｌ、および出力導体４Ｖ１に符号が付されており、同一の構成が１２０°ピッチで回転対称に合計３組配置されている。Ｗ相も同様であり、Ｗ相第１上アーム５Ｗ１Ｈ、Ｗ相第１下アーム５Ｗ１Ｌ、および出力導体４Ｗ１に符号が付されており、同一の構成が１２０°ピッチで回転対称に合計３組配置されている。
【００５２】
図５の（２）は、（１）と比較してアームおよび出力導体の配置が異なる態様である。それでも、各相が１２０°ピッチで回転対称に合計３組配置されている点は同様である。
【００５３】
次に、第２実施形態のインバータ装置１Ａの作用および効果について、第１実施形態と同じ電流Ｉが流れる場合を例にして説明する。以降の説明は、図５の（１）および（２）の構造で共通である。図６は、第２実施形態のインバータ装置１Ａに流れる電流Ｉを模式的に例示説明する図であり、（１）は電流の幾何学的分布、（２）はそのときの合成ベクトル図をそれぞれ示している。
【００５４】
図６の（１）に示されるように、第２実施形態において、電流Ｉは、正電極３ＰからＵ相の３つの上アーム５Ｕ１Ｈ、５Ｕ２Ｈ、５Ｕ３に分流した後、三相負荷のＵ相端子に流入する。したがって、分流したＵ相電流ＩＵ２１、ＩＵ２２、ＩＵ２３は、幾何学的に相互に１２０°を成し放射状に分散して流れる。同様に、電流Ｉは、三相負荷のＶ相端子からＶ相の３つの下アームに分流した後、負電極３Ｎに還流する。したがって、分流したＶ相電流ＩＶ２１、ＩＶ２２、ＩＶ２３も、幾何学的に相互に１２０°を成し放射状に分散して流れる。このため、第２実施形態のインバータ装置１Ａ内の電流Ｉの合成ベクトルは、図６の（２）に示されるように、キャンセルされてゼロに近づく。さらに、インバータ装置１Ａ内部および外部の対称性がよく保たれていれば、電流Ｉは３等分されて流れ、合成ベクトルはゼロになる。
【００５５】
第２実施形態のインバータ装置１Ａによれば、第１実施形態と比較して分流した個々の電流の絶対値が概ね（２／３）に減少し、流れる幾何学的な方向は２方向から３方向に増加する。このため、合成ベクトルは確実に小さくなり、誘導ノイズおよび電波ノイズが確実にキャンセルされて抑制される。
【００５６】
次に、第３実施形態のインバータ装置１Ｂについて、図７〜９を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図７は、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの回路図である。図示されるように、第３実施形態のインバータ装置１Ｂは、三相のそれぞれが並列接続された６個の上アームおよび並列接続された６個の下アームで構成されており、装置全体では合計３６アームが搭載されている（６並列構成）。第３実施形態において、各上アームおよび各下アームの構成は、第１および第２実施形態と同じであり、並列数のみが異なる。図７に示されるように、Ｕ相は、Ｕ相第１〜第６上アーム６１Ｈ〜６６Ｈ、およびＵ相第１〜第６下アーム６１Ｌ〜６６Ｌで構成されている。Ｖ相およびＷ相も同様であり、符号は省略する。
【００５７】
次に、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの構造および幾何学的配置について説明する。図８は、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの構造を示す中心軸線ＡＸ方向から見た正面図であり、（１）は全体構成図、（２）は中心角６０°分の部分拡大図である。図８の（１）に示されるように、インバータ装置１Ｂは、正電極３Ｐと負電極３Ｎとの間に環状に配置されている。図８の（１）には、合計３６個の正三角形のＩＧＢＴ素子、合計３６個の正三角形の整流ダイオード、および合計１８個の正方形の出力導体が示されている。
【００５８】
そして、図８の（２）に示されるように、中心角６０°の範囲に、三相のアームセットが１組ずつ配設されている。図中の符号Ｑ１〜Ｑ３はＵ相、Ｖ相、およびＷ相の上アーム側のＩＧＢＴ素子、符号Ｑ４〜Ｑ６はＵ相、Ｖ相、およびＷ相の下アーム側のＩＧＢＴ素子である。同じ相のＩＧＢＴ素子同士は、正三角形の一辺で相互に隣り合って配設されている（Ｑ１とＱ４、Ｑ２とＱ５、Ｑ３とＱ６）。また、図中の符号Ｄ１〜Ｄ３はＵ相、Ｖ相、およびＷ相の上アーム側の整流ダイオード、符号Ｄ４〜Ｄ６はＵ相、Ｖ相、およびＷ相の下アーム側の整流ダイオードである。整流ダイオードは、並列接続されるＩＧＢＴ素子に必ずしも隣り合っていない。また、外周側の負電極３Ｎに近い位置に、三相の出力導体４Ｕ、４Ｖ、４Ｗが配設されている。
【００５９】
上述した中心角６０°の範囲の構成が周方向に６セット配設されて、インバータ装置１Ｂの全体構成になっている。したがって、各相の６組のアームセットは、６０°ピッチで回転対称に配置されている。
【００６０】
次に、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの作用および効果について、第１実施形態と同じ電流Ｉが流れる場合を例にして説明する。図９は、第３実施形態のインバータ装置１Ｂに流れる電流Ｉを模式的に例示説明する電流Ｉの幾何学的分布の図である。第３実施形態において、電流Ｉは正電極３ＰからＵ相の６つの上アーム６１Ｈ〜６６Ｈに分流した後、三相負荷のＵ相端子に流入する。したがって、図示されるように、分流したＵ相電流ＩＵ３１〜ＩＵ３６は、幾何学的に相互に６０°を成し放射状に分散して流れる。同様に、電流Ｉは、三相負荷のＶ相端子からＶ相の６個の下アームに分流した後、負電極３Ｎに還流する。したがって、分流したＶ相電流ＩＶ３１〜ＩＶ３６も、幾何学的に相互に６０°を成し放射状に分散して流れる。このため、第３実施形態のインバータ装置１Ｂ内の電流Ｉの合成ベクトルは、図示するまでもなく、キャンセルされてゼロに近づく。さらに、インバータ装置１Ｂ内部および外部の対称性がよく保たれていれば、電流Ｉは６等分されて流れ、合成ベクトルはゼロになる。
【００６１】
第３実施形態のインバータ装置１Ｂによれば、第１実施形態と比較して分流した個々の電流の絶対値が概ね（１／３）に減少し、流れる方向は２方向から６方向に増加する。このため、合成ベクトルはさらに一層確実に小さくなり、誘導ノイズおよび電波ノイズがさらに一層確実にキャンセルされて抑制される。
【００６２】
なお、従来構成と比較して第１〜第３実施形態では、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌ、５１Ｈ、５１Ｌ、Ｑ１〜Ｑ６の搭載数は増加するが、必要とされる電流容量が小さいので素子形状を小さくできる。したがって、インバータ装置１、１Ａ、１Ｂの大きさは従来構成から著変しない。なお、正六角形、等脚台形、菱形、および正三角形のＩＧＢＴ素子９１Ｈ、９１Ｌ、２１Ｈ、２１Ｌ、５１Ｈ、５１Ｌ、Ｑ１〜Ｑ６の詳細な内部構造および電気的特性については、必要であれば背景技術で引用した特許文献１を参照されたい。
【００６３】
各実施形態のインバータ装置は、ハイブリッド車の走行用モータの駆動制御部に好適であり、他の用途に用いることもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形などが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１Ａ、１Ｂ：インバータ装置
２Ｕ１Ｈ：Ｕ相第１上アーム    ２Ｕ１Ｌ：Ｕ相第１下アーム
２Ｕ２Ｈ：Ｕ相第２上アーム    ２Ｕ２Ｌ：Ｕ相第２下アーム
２Ｖ１Ｈ：Ｖ相第１上アーム    ２Ｖ１Ｌ：Ｖ相第１下アーム
２Ｖ２Ｈ：Ｖ相第２上アーム    ２Ｖ２Ｌ：Ｖ相第２下アーム
２Ｗ１Ｈ：Ｗ相第１上アーム    ２Ｗ１Ｌ：Ｗ相第１下アーム
２Ｗ２Ｈ：Ｗ相第２上アーム    ２Ｗ２Ｌ：Ｗ相第２下アーム
２１Ｈ、２１Ｌ、５１Ｈ、５１Ｌ：ＩＧＢＴ素子（パワー半導体モジュール）
ＣＨ、ＣＬ：コレクタ電極    ＥＨ、ＥＬ：エミッタ電極
ＧＨ，ＧＬ：ゲート電極
２２Ｈ、２２Ｌ、５２Ｈ、５２Ｌ：整流ダイオード（半導体整流素子）
ＡＨ、ＡＬ：アノード    ＫＨ、ＫＬ：カソード
３Ｐ：正電極    ３Ｎ：負電極
４１Ｕ、４１Ｕ１、４１Ｕ２：Ｕ相出力導体
４１Ｖ、４１Ｖ１、４１Ｖ２：Ｖ相出力導体
４１Ｗ、４１Ｗ１、４１Ｗ２：Ｗ相出力導体
５Ｕ１Ｈ、５Ｕ２Ｈ、５Ｕ３Ｈ：Ｕ相第１〜第３上アーム
５Ｕ１Ｌ、５Ｕ２Ｌ、５Ｕ３Ｌ：Ｕ相第１〜第３下アーム
５Ｖ１Ｈ：Ｖ相第１上アーム    ５Ｖ１Ｌ：Ｖ相第１下アーム
５Ｗ１Ｈ：Ｗ相第１上アーム    ５Ｗ１Ｌ：Ｗ相第１下アーム
６１Ｈ〜６６Ｈ：Ｕ相第１〜第６上アーム
６１Ｌ〜６６Ｌ：Ｕ相第１〜第６下アーム
８：中空筒型コンデンサ
８２：一方極接続部    ８３：他方極接続部    ８４：静電容量部
８５、８６：電極板    ８７：誘電体
９：従来技術のインバータ装置
９１Ｈ、９１Ｌ：ＩＧＢＴ素子
Ｑ１〜Ｑ６：ＩＧＢＴ素子    Ｄ１〜Ｄ６：整流ダイオード
ＩＵ１：Ｕ相第１電流    ＩＵ２：Ｕ相第２電流
ＩＶ１：Ｖ相第１電流    ＩＶ２：Ｖ相第２電流
ＩＵ２１〜ＩＵ２３：分流したＵ相電流
ＩＶ２１〜ＩＶ２３：分流したＶ相電流
ＩＵ３１〜ＩＵ３６：分流したＵ相電流
ＩＶ３１〜ＩＶ３６：分流したＶ相電流
Ｘ：中心軸線    ＤＣ：直流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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